Quang phi tuyến - Giới thiệu quang phi tuyến 1

Sự khởi đầu của quang phi tuyến Quang phi tuyến được mở đầu bằng phát minh về sự tạo sóng hài bậc hai một thời gian ngắn sau khi Laser ra đời... Tương tác quang phi tuyến Điện trườ

Giới thiệu quang học phi tuyến

Nguyễn Thanh Lâm www.mientayvn.com

Email: thanhlam1910_2006@yahoo.com

Nội dung

1. Giới thiệu

2. Bản chất của quang phi tuyến

3. Những hiện tượng phi tuyến bậc hai

4. Những hiện tượng phi tuyến bậc ba

5. Vật liệu quang phi tuyến

6. Ứng dụng của quang phi tuyến

Phát xạ cảm ứng, MASER và LASER

 (1916) Khái niệm phát xạ cảm ứng Albert Einstein

 (1928) Quan sát thấy hiện tượng hấp thụ âm hoặc phát

xạ cảm ứng gần bước sóng cộng hưởng, Rudolf

Walther Ladenburg

 (1930) Không cần hệ vật lí luôn luôn ở trạng thái cân bằng nhiệt, Artur L Schawlow

LASER (MASER)

Khuếch đại ánh sáng (sóng cực ngắn)

bằng

sự phát bức xạ cảm ứng

Có 2 nhóm nghiên cứu về Maser vào những

năm 50

 Alexander M Prokhorov và Nikolai

G Bassov (viện Lebedev ở Matxcova )

 Charles H Townes, James P Gordon

và Herbert J Zeiger (đại

Trái sang phải: Prokhorov, Townes và Basov tại viện

Lebede (Giải Nobel năm 1964 Nobel vật lí cho sự xây

dựng “Nguyên lí Maser-Laser”)

Townes (trái) và

Gordon (phải) và

maser amoniac do họ tạo ra tại đại học

Colombia

 (1951) V A Fabrikant “ A method for the application of

electromagnetic radiation (ultraviolet, visible, infrared, and radio waves) ” patented in Soviet Union.

 (1958) Townes and Arthur L Schawlow, “ Infrared and Optical Masers, ” Physical Review

 (1958) Gordon Gould definition of “Laser” as “ Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation ”

 (1960) Schawlow and Townes

U S Patent No 2,929,922

 (1960) Theodore Maiman Invention of the first Ruby Laser

 (1960) Ali Javan The first He-Ne Laser

Maiman và Laser ruby đầu tiên

Ali Javan và Laser He-Ne đầu tiên

Sự khởi đầu của quang phi

tuyến

Quang phi tuyến được

mở đầu bằng phát

minh về sự tạo sóng

hài bậc hai một thời

gian ngắn sau khi

Laser ra đời.

( Peter Franken và các

cộng sự 1961)

2 Bản chất của quang phi tuyến

Khi cường độ của

Đáp ứng của môi trường quang học

Độ cảm phi tuyến

Dạng tổng quát của độ phân cực



+ +

+ +

ijkl k

j

)

( ijk j

)

( ij i

P = 0 + χ

Độ phân cực phi tuyến

P1 = χ (1)

k j

ijk

l k

j ijkl

P3 = χ (3)

Sự phi tuyến quang học xuất hiện

/ a e

≈

at

E

Tương tác quang phi tuyến

 Điện trường của chùm Laser

 Độ phân cực phi tuyến bậc hai

C.C.

) (

( 2

) (

χ

Sự phi tuyến bậc hai

 Trường ánh sáng tới

 Độ phân cực phi tuyến chứa những số hạng sau

)

(OR)

) (

2 )

0 (

(DFG)

2 )

(

(SFG)

2 )

(

(SHG)

)

2 (

(SHG)

)

2 (

* 2 2

* 1 1

) 2 (

* 2 1

) 2

( 2

1

2 1

) 2

( 2

1

2 2

) 2

( 2

2 1

) 2

( 1

E E E

E P

E E P

E E P

E P

E P

=

=

χ

χ ω

ω

χ ω

ω

χ ω

χ ω

Ứng dụng:

Photon tần số thấp,

khuếch đại trong sự hiện

diện của photon tần số

cao Quá trình này

được gọi là khuếch đại

tham số.

Ứng dụng:

Photon tần số thấp,

khuếch đại trong sự hiện

diện của photon tần số

cao Quá trình này

được gọi là khuếch đại

Sự kết hợp pha

ω

) 2 (

χ

ω

2

•Bởi vì môi trường quang học (hoặc quang phi tuyến)

có tính tán sắc, tín hiệu cơ bản và tín hiệu hài có vận

tốc truyền khác nhau bên trong môi trường

• Tín hiệu sóng hài được tạo ra tại những điểm khác nhau giao thoa tăng cường lẫn nhau

•Bởi vì môi trường quang học (hoặc quang phi tuyến)

có tính tán sắc, tín hiệu cơ bản và tín hiệu hài có vận

tốc truyền khác nhau bên trong môi trường

• Tín hiệu sóng hài được tạo ra tại những điểm khác nhau giao thoa tăng cường lẫn nhau

Thí nghiệm tạo sóng hài bậc hai

Sự phi tuyến bậc ba

 Khi dạng tổng quát của trường điện tới có dạng sau,

 Độ cảm bậc ba sẽ có 22 thành phần và sự phụ thuộc tần số của chúng là

t i t

i t

i E e E e e

E t

3 2

1)

(

+ +

=

3 , 2 , 1 ,

, ), 2

( ), 2

(

) (

), (

, 3

,

=

− +

− +

+

+

k j

ij

i j

i

k j

i k

j i

i

i

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

ω ω

Chiết suất phụ thuộc cường độ

 Trường quang học tới

 Độ phân cực phi tuyến bậc ba

C.C.

) (

) (

| ) (

| ) (

3 )

) (

| ) (

| ) (

3 )

( )

TOT ω χ E ω χ ω ω ω ω E ω E ω

Độ phân cực toàn phần có thể được viết là

Người ta có thể định nghĩa một độ cảm hiệu dụng

) 3 ( 2

) 1

Bằng cách định nghĩa

I n

( 2

0

2 2

12

χ

π

c n

n =

Cơ chế n2 (cm 2 /W) (esu) Thời gian đáp ứng (giây)

( 1111

χ

Giá trị chiết suất phi tuyến điễn hình

Vật liệu  1111 Thời gian đáp ứngKhông khí 1.2×10 -17

GaAs (khối nhiệt độ phòng) 6.5×10-4 20 nsCdSxSe1-x pha thủy

GaAs/GaAlAs (MQW) 0.04 20 ns Thủy tinh quang học (1-100)×10 -14 Rất nhanh

Độ cảm phi tuyến bậc 3 của một số vật liệu

Những quá trình phát sinh do chiết

suất phụ thuộc cường độ

1 Tự hội tụ và tự lệch tiêu

2 Trộn sóng

3 Trộn 4 sóng suy biến và liên hợp

pha quang học

Tự hội tụ và tự lệch tiêu

 Chùm Laser có dạng cường độ tuân theo phân bố Gauss Nó có thể cảm ứng dạng chiết suất phân bố Gauss bên trong mẫu quang phi tuyến.

) 3 (

χ

Sự trộn sóng

/2) Sin(

2 0 θ

λ

n

= Λ

Liên hợp pha quang học

 Gương liên hợp pha

Điều chỉnh độ lệch bằng PCM

PCM

Môi trường gây lệch

PCM

gây lệch

Liên hợp pha quang học là gì

C.C.

) ,

Trộn 4 sóng suy biến (DFWM)

) 3 (

Cơ sở toán học

)

( )

(

C C e

r A t

((

* 3 2 1

) 3 (

* 3 2 1

) 3 (

Giải thích toàn kí DFWM

) 3 (

Nhiễu xạ Bragg

từ những cách tử cảm ứng động